ساعت آفتابی - جلسه دوم
کره سماوی و حرکت ظاهری خورشید
اهداف جلسه: آشنایی با مفاهیم کره سماوی - قطب های سماوی -استوای سماوی -صفحه افق - سمت الراس - ارتفاع و سمت یک جسم سماوی - حرکت ظاهری خورشید
وسایل مورد نیاز: ویدئو پروژکتور برای نمایش فیلم ها
روند کار:
برای مدرج کردن صفحه ساعت آفتابی و نصب شاخص آن به شناخت مسیر حرکت ظاهری خورشید در آسمان نیاز داریم بدین منظور باید با مفاهیم کره سماوی، قطب های سماوی و دایره البروج آشنا شویم :
کره سماوی:
کره سماوی کره ای است فرضی با شعاع بی نهایت که ناظر روی کره زمین در مرکز آن قرار دارد. در واقع می توان این طور تصور کرد که ستارگان و دیگر اجسام سماوی روی کره ای به شعاع بی نهایت می چرخند و نام این را کره فرضی سماوی گذاشت. چون شعاع کره زمین در مقایسه با فاصله آن از ستارگان از جمله خورشید بسیار کوچک است می توان تصور کرد که زمین درست در مرکز کره سماوی قراردارد.
قطب های سماوی:
اگر به هنگام شب مسیر حرکت ستارگان در آسمان را دنبال کنید این طور به نظر می رسد که تمام آن ها حول محوری فرضی و از سمت شرق به غرب می چرخند. در واقع به قدری ستارگان ازما دور هستند که اگر زمین در جای خود ثابت بود و چرخش به دور خود و حول خورشید را نداشت در طی شب تمام ستارگان در جای خود ثابت می بودند. در واقع علت حرکت ظاهری ستارگان در طی شب چرخش زمین به دور خودش است.
پس در واقع محور فرضی که ستارگان به دور آن می چرخند همان محور چرخش زمین به دور خودش است. این خط فرضی کره سماوی را در دو نقطه روبه روی هم قطع می کند که ما آن هارا قطب شمال سماوی وقطب جنوب سماوی می نامیم.
ستاره قطبی:
چون ستاره قطبی تقریبا روی قطب شمال سماوی است در طی شب به نظر می رسد که تنها ستاره ثابت در آسمان است.
استوای سماوی:
در تشابه با کره زمین برای کره سماوی هم می توان یک صفحه استوا تعریف کرد که از صفحه استوا زمین گذشته بر محور چرخش آن عمود است.
دستگاه مختصات سماوی:
بعد(RA) و میل (DEC) یک دستگاه مختصات است که ستاره شناسان با استفاده از آن محل قرارگیری ستاره ها و کهکشان ها را در آسمان مشخص می کنند و همچنین حرکت آنها را مورد بررسی قرار می دهند. سیستم بعد و میل شبیه سیستم طول و عرض جغرافیایی است که بر روی کره زمین برای بیان مختصات نقطه ای از آن استفاده می شود.
واحد میل درجه است، یعنی میل یک نقطه را بر حسب درجه بیان می کنند و میزان فاصله اجسام را از خط فرضی استوای فضایی بیان می کند. (درست مانند عرض جغرافیایی بر روی زمین). در وسط اتاق بایستید و دست های خود را در کنارتان باز کنید.
اگر دست های خود را به سمت سقف اتاق بالا بیاورید درست شبیه به این است که در حال عبور از «میل»های مثبت هستید ولی اگر برعکس دست های خود را به سمت پایین و کف اتاق ببرید در حال گذشتن از «میل»های منفی هستید.
پس در کره سماوی نقاط واقع در نیمکره شمالی دارای «میل»های مثبت و نقاط واقع در نیمکره جنوبی دارای «میل»های منفی می باشد.
میل درست مانند عرض جغرافیایی است، «میل»نقاط واقع بر خط استوای سماوی 0درجه است و نقاط واقع در قطب شمال سماوی میلی برابر 90+ و نقاط واقع در قطب جنوب سماوی میلی برابر 90- منفی دارند.
و اما «بُعد» یک مختصه دیگر است که باید برای پیدا کردن مکان یک ستاره از آن نیز استفاده کنیم. «بعد» هم مانند طول جغرافیایی در کره زمین است. برای درک بیشتر «بعد» بار دیگر در وسط اتاق بایستید و در جهت عقربه های ساعت به دور خود بچرخید. با این کار شما در راستای مختصه «بعد» در حال حرکت می باشید. «بعد»را با واحد «ساعت» اندازه گیری می کنند.
استفاده از «بعد» برای ستاره شناسان بسیار راحت است، زیرا زمین به دور خود می چرخد و به خاطر این چرخش این طور به نظر می رسد که ستارگان طلوع و غروب می کنند، درست مانند خورشید.
اگر شما در یک شب زمستانی به حیاط خانه تان بروید و بر روی زمین دراز بکشید، در این هنگام می توانید صورت فلکی جبار را در بالای سر خود مشاهده کنید. اگر جبار دارای بعد 5 ساعت باشد، صورت فلکی خرچنگ دارای بعد 8ساعت می باشد.
اگر جبار در بالای سر شما باشد، کافی است که 3ساعت دیگر صبر کنید تا خرچنگ به بالای سر شما خواهد آمد.(3 ساعت را از تفاضل 8 منهای 5 به دست آوردیم)
درست همان طور که مختصات طول و عرض جغرافیایی برای هر شهر روی کره زمین منحصر به فرد و یکتاست، مختصات طول و بعد سماوی یک ستاره و یک کهکشان نیز منحصر به فرد و یکتا می باشد.
ابزارهای کمک آموزشی در ارتباط با کره سماوی:
یک فیلم جالب آموزشی درمورد کره سماوی و مختصات سماوی. در این فیلم ابتدا کره سماوی نشان داده شده است یعنی یک دسته از ستارگان که روی یک پوسته کروی در اطراف زمین پخش شده اند. کره سماوی با کمک مختصات سماوی بعد و میل درجه بندی شده است.
در فیلم سعی شده است با دادن نماهای نزدیک و دور مفاهیم زمینی (قطب ها و استوا) با مفاهیم معادل سماویشان مربوط شوند هم چنین با نشان دادن چرخش کره زمین سعی شده حرکت زمین به آنچه که توسط ناظر زمینی در نیمکره شمالی دیده می شود مربوط شود.(فیلم فاقد صدا می باشد)
یک برنامه کامپیوتری جالب برای درک بیشترمفاهیم کره سماوی:
astro.unl.edu/classaction/animations/coordsmotion/celhorcomp.html
کره سماوی ناظر محلی:
برای هر نقطه روی کره زمین می توانیم یک کره سماوی محلی تعریف کنیم. در واقع وقتی شما به آسمان نگاه می کنید موقعیت آن ها را نسبه به خود و صفحه افق می سنجید به همین علت است که مشخص کردن مکان یک جسم کروی دارای اهمیت است. برای این کار دو مرجع ثابت روی این کره تعریف می کنیم : سمت الراس و صفحه افق.
سمت الراس: (zenith)
نقطه ای روی کره سماوی که به طور قایم بالای سر راصد است و در واقع این نقطه محل برخورد خط واصل مرکز زمین و محل ناظر باکره سماوی است.
افق:
صفحه ای که بر خط واصل مرکز زمین و سمت الراس عمود است و محل تماس آن با سطح کره زمین محل ناظر است صفحه افق نامیده می شود.
این صفحه کره سماوی را در دایره ای قطع می کند که افق سماوی یا افق خوانده می شود. بردین ترتیب افق کره سماوی را به دو نیم کره تقسیم می کند که نیمکره بالایی برای ناظر مرئی است و نیمکره پایینی به وسیله زمین از دید راصد پنهان است.
نصف النهار محلی:
از قطب های جنوبی وشمالی سماوی و سمت الراس محل نیم دایره ای می گذرد که نصف النهار محلی نامیده می شود. این نیم دایره صفحه افق را در دو نقطه قطع می کند که قطب های شمالی و جنوبی جغرافیایی هستند.
با کمک صفحه افق و نصف النهار محلی می توان مکان یک جسم سماوی را با کمک دو مختصه ارتفاع و سمت مشخص کرد.
ارتفاع یک جسم سماوی: altitude
اگر روی کره سماوی نیم دایره ای را رسم کنیم که از سمت الراس و جسم سماوی مورد نظر بگذرد کمان بین صفحه افق و جسم سماوی برابر با ارتفاع آن جسم سماوی خواهد بود. به عبارت دیگر اگر از نقطه مورد نظر خطی به جسم سماوی رسم کنیم زاویه ای که این خط با سطح افق می سازد همان ارتفاع خورشید است.
سمت یک جسم سماوی: azimuth
اگر از نقطه ای که ناظر به جسم سماوی نگاه می کند خطی به مرکز خورشید وصل کنیم و سپس این خط را بر صفحه افق تصویر نماییم زاویه ای که خط تصویر شده بر صفحه افق با امتداد جنوب جغرافیایی می سازد سمت خورشید نامیده می شود.
حرکت ظاهری خورشید:
وقتی شما ازروی زمین به آسمان می نگرید این طوربه نظرتان می رسد که شما در جایتان ثابتید و این اجسام سماوی از جمله خورشید و ستارگان هستند که در حرکت به دور زمین هستند ما اکنون می دانیم که در واقع زمین هم دارای حرکت است اما آنچه برای ساخت ساعت آفتابی اهمیت دارد حرکت ظاهری اجسام سماوی از دید ناظر زمینی است. پس خورشید دارای دو نوع حرکت از دید ناظر زمینی است :
حرکت روزانه خورشید:
همه ما در طی روز شاهد حرکت خورشید از شرق آسمان به غرب آن هستیم. این حرکت ظاهری خورشید در واقع نتیجه چرخش زمین به دور خودش است.
حرکت سالیانه خورشید:
اگر مشاهده همزمان ستارگان و خورشید با هم ممکن می بود می توانستیم ببینیم که خورشید بر خلاف ستارگان در جای خود ثابت نمی ماند بلکه روی مسیری دایروی روی کره سماوی در طی سال چرخیده و در آخر سال به مکان اول خود باز می گردد. این مسیر خورشید در طول یک سال روی کره سماوی دایره البروج نامیده می شود.
در نتیجه این دو حرکت خورشید ما می بینیم که اولا خورشید در طی یک روز حول محور کره سماوی می چرخد و ثانیا در روز های مختلف سال ارتفاع این مسیر خورشید متفاوت است. زاویه بین صفحه دایره البروج و استوای سماوی به عنوان انحراف دایره البروج شناخته می شود و مقدار کنونی آن تقریبا برابر23 درجه و 27 دقیقه است و مقدار این زاویه در هر صد سال به اندازه یک دقیقه کم می شود.
چند فیلم آموزشی در مورد حرکت زمین و حرکت ظاهری خورشید: (فیلم ها بدون صوت می باشند)
در ابتدای فیلم اول چرخش زمین حول خورشید نشان داده شده است با نمایش محور زمین (محور چرخش حول خودش) که نسبت به محور چرخش زمین دور خورشید کج است. همانطور که می دانیم این کج بودن علت به وجود آمدن فصل ها می باشد.
همان طور که در فیلم نیز با نمایش صفحه استوای گسترش داده شده زمین می بینیم که دربرخی اوقات خورشید پایین صفحه استوای زمین است (پاییز و زمستان در نیمکره شمالی) و در برخی اوقات بالا صفحه استوای زمین قرار دارد ( بهار و تابستان در نیمکره شمالی)
هدف فیلم دوم این است که نشان دهد چگونه باچرخش زمین حول خورشید از روی زمین به نظر میرسد که خورشید در آسمان حرکت می کند. فیلم با نمایش چرخش زمین حول خورشید درون کره سماوی شروع می شود و با نمایش کره سماوی مشاهده شده از دید ناظر زمینی مفهوم حرکت ظاهری خورشید مورد بررسی قرار می گیرد.
فیلم سوم نشان می دهد که خورشید روی کره سماوی در طی سال روی مداری بیضوی شکل می چرخد که این مدار بیضوی شکل همان دایره البروج است. این فیلم به همراه فیلم دوم وسیله ای بسیار مناسب برای نشان دادن حرکت ظاهری خورشید است.
منبع برای فیلم های بیشتر:
brahms.phy.vanderbilt.edu/~rknop/astromovies/index.html
تکلیف:
١) از بچه ها بخواهید روی یک صفحه کاغذ دایره ای به عنوان زمین رسم کرده وروی آن موارد زیر را مشخص کنند:
2) حال دایره دیگری که معرف کره سماوی است رسم کرده و موارد زیر را در آن مشخص کنید:
محل بازدید/ اردو/ خرید: ---------------------------------------------
منابع مطالعه:
کتاب sundials design,construction and use
کتاب ساعت های خورشیدی اصول و راهنمای ساخت (ماشا الله علی احیایی انتشارات امیر کبیر)
